Einfluss des Bestandsaufbaus auf Menge und Qualität der Grundwasserneubildung

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.01.1999

Projektende: 31.12.2005

Projektstand: 31.12.2005

Registrierung von Wassergehalt und Matrixpotential im Boden Quelle: BGR

Ziel des F+E-Projektes

Für Wassergewinnungsgebiete in Norddeutschland sollen die Auswirkungen des Waldumbaus von Kiefern-Reinbeständen zu Kiefern/Buchen-Mischbeständen auf die Menge und Qualität der Grundwasserneubildung in vorhandenen Rein- bzw. Mischbeständen für grundwassernahe und grundwasserferne Bedingungen beispielhaft im Wassergewinnungsgebiet Fuhrberger Feld untersucht werden. Da die Zielgrößen 'Grundwasserneubildungsmenge' und 'Stoffaustrag' Teilglieder des Wasser- und Stoffhaushalts von Böden sind, müssen zu deren Quantifizierung und Bewertung auch Wasser- und Stoffeinträge in den Boden und Messgrößen des physikalischen und chemischen Bodenzustands erfasst werden.

Die Geländeuntersuchungen sollen Datenmaterial für fundierte Abschätzungen der längerfristigen Entwicklung von Bodenwasserhaushalt und Qualität der Grundwasserneubildung in Abhängigkeit von Nutzungsänderungen erbringen, die auch auf andere Gebiete übertragbar sind.

Hintergrund und Nutzen für die BGR

In Norddeutschland findet in der nahen Zukunft im Rahmen von naturnahen Waldbauprogrammen (u.a. Langfristige Ökologische Waldentwicklung in den Landesforsten, 1991) ein großflächiger Umbau des Waldes statt, mit dem Ziel, die am jeweiligen Standort mögliche Mischungs- und Strukturvielfalt standortgerechter Baumarten mit Naturverjüngung zu fördern. Im Wassergewinnungsgebiet Fuhrberger Feld wird ein Pilotvorhaben durchgeführt mit dem Ziel, durch Umbau von Nadelwäldern in vielfältig strukturierte Mischwälder u.a. die Grundwasserneubildungsmenge zu erhöhen und deren Qualität zu verbessern. Der Umbau der vorherrschenden Kiefernwälder soll in der Hauptsache durch künstlichen Unterbau von Laubholz, vorwiegend Buche, erfolgen. Naturgemäß werden einige Jahrzehnte vergehen, bis die untergebauten Buchen entsprechend gewachsen sind und das angestrebte Waldbild erreicht ist.

Aus Vorsorgegründen sind Prognosen bzw. Abschätzungen über die langfristigen Auswirkungen der Waldumbaumaßnahmen auf die Grundwasserneubildungsmenge und -qualität erwünscht. Solche Zahlen könnten in Einzugsgebietsmodelle einfließen, mit denen Abschätzungen über zukünftig zur Verfügung stehende Fördermenge und Rohwasserqualität für die Trinkwassergewinnung in Abhängigkeit von der Landnutzung möglich sind. Entsprechende Daten sind allgemein und speziell für das Gebiet z.Zt. nur spärlich bzw. überhaupt nicht verfügbar.

Nutzen für die BGR:

• Weiterentwicklung von bodenkundlichen Auswertungsmethoden: Berechnung der Sickerwasserrate aus dem Boden unter Wald
• Nutzung im Rahmen der Ressortaufgaben: Bodenschutz, Grundwasserschutz

Messungen

Zur Ermittlung des Bodenwasserhaushaltes und der Grundwasserneubildungsmenge unter Wald wurden im Fuhrberger Feld 4 Messstellen eingerichtet. Die Messstellen wurden in grundwassernahen und grundwasserfernen Kiefernbeständen bzw. Mischbeständen eingerichtet, um den Einfluss von sowohl Grundwasserflurabstand als auch Bestandesaufbau auf die Grundwasserneubildung quantifizieren zu können. Entlang von jeweils 10 bis 15 m langen Transekten werden in den Beständen Wassergehaltsmessungen (TDR- und FDR-Verfahren) und Matrixpotentialmessungen (Druckaufnehmertensiometer) in verschiedenen Tiefen durchgeführt. Außerdem wird auf allen Messstellen der Grundwasserflurabstand kontinuierlich erfasst.

Die Strategie der Messungen beruht u.a. auf folgenden Überlegungen und Randbedingungen:

• Die Erfassung des Wasserhaushaltes auf 4 Messflächen sollte mit vertretbarem Aufwand möglich sein. Dies bedeutet z.B., dass auf die wartungsintensiven Messungen der Matrixpotentiale im oberen Bereich des Wurzelraums verzichtet werden muss.
• Durch die Wassergehaltsmessungen sollen die Wassergehaltsänderungen im Wurzelraum während der Hauptwachstumsperiode und insbesondere das Auffüllen des Wurzelraums bis zur Feldkapazität vor dem Einsetzen eines Sickerwasserflusses aus dem Wurzelraum erfasst werden.
• Matrixpotentialmessungen mit hoher zeitlicher Auflösung werden nur im unteren Bereich des Wurzelraums durchgeführt, so dass das Einsetzen des Sickerwasserflusses aus dem Wurzelraum genau registriert werden kann.
• Es werden pro Messtiefe mindestens 7 Tensiometer eingesetzt, um die räumliche Variabilität der Grundwasserneubildung berücksichtigen zu können.

Klimamessstation Quelle: BGR

Die Messstelle für die meteorologischen Daten im Freiland liegt ca. 500 m nördlich vom Sprillgehege auf einer Ackerfläche. Folgende Messdaten werden mit stündlicher Auflösung erfasst:

• Temperatur in 2 m Höhe (°C)
• Relative Luftfeuchte in 2 m Höhe (%)
• Windgeschwindigkeit in 2 m Höhe (m/s)
• Windrichtung (° )
• Niederschlag (mm )
• Globalstrahlung (J/m²)

sowie :

• Grundwasserflurabstand
• Bodentemperatur in mehreren Tiefen
• Matrixpotential in mehreren Tiefen

Wasserhaushaltsmessungen in einem grundwassernahen Kiefer-Buchen-Mischbestand:

• Bestandesniederschlag
• Stammablauf
• Wassergehalte im Boden
• Matrixpotentiale im Boden
• Grundwasserflurabstand

Wasserhaushaltsmessungen in einem grundwassernahen Kiefer-Buchen-Mischbestand Quelle: BGR

Wassergehaltsmessungen mit einer Troxlersonde im Wurzelraum eines grundwasserfernen Kiefernbestandes Quelle: BGR

Ergebnisse

Auf Grund der Analyse des jährlichen Grundwasserneubildungverlaufes auf den betrachteten Standorten im Fuhrberger Feld lässt sich der Wasserhaushalt im Verlauf des Jahres vorerst in 3 Zeiträume einteilen. Diese Einteilung ermöglicht erste allgemeinere Aussagen über bestandes- und grundwasserflurabstandsabhängige Differenzen in der Grundwasserneubildung.

Zeitraum von etwa Ende Oktober bis Ende März: Da in diesem Zeitraum keine Wasseraufnahme durch Wurzeln und kaum Evaporation von der Bodenoberfläche in den Beständen stattfindet, kann davon ausgegangen werden, dass Unterschiede im Wasserhaushalt zwischen Kiefernbestand und Mischbestand im betrachteten Zeitraum von Spätherbst bis Anfang Frühling nur auf Differenzen in der Interzeption beruhen. Bei einer um etwa 10 % höheren Interzeption im Kiefernbestand würde für diesen Zeitraum bei langjährig mittleren Niederschlagsmengen im Freiland von ca. 300 mm eine um etwa 30 mm höhere Grundwasserneubildung im Mischbestand zustande kommen. Der Grundwasserflurabstand spielt in diesem Zeitraum keine Rolle.

Zeitraum von etwa Ende März bis Ende Sickerwasserspende im Fruhjahr (Mai-Juni: abhängig von den aktuellen Niederschlags- und Evapotranspirationsbedingungen im jeweiligen Jahr). In diesem Zeitraum muss in erster Linie nach Bestandseinflüssen auf den Wasserhaushalt differenziert werden: Auf Grund der Bestandesentwicklung ist zu erwarten, dass die Transpiration des Kiefernbestandes mit Unterwuchs etwas höher ist als die des Mischbestandes. Tendenziell führt diese Tatsache zu einer höheren Grundwasserneubildung unter dem Mischwald, bedingt durch eine niedrigere Interzeptions- und Transpirationsmenge. Über die genaue Menge der Grundwasserneubildungsdifferenz kann zur Zeit noch keine Aussage gemacht werden.

Zeitraum von Ende Sickerwasserspende im Frühjahr bis Anfang der Sickerwasserspende im Herbst (September - Ende Oktober: abhängig von den aktuellen Niederschlags- und Evapotranspirationsbedingungen im jeweiligen Jahr). In diesem Zeitraum muss in erster Linie nach Einflüssen des Grundwasserflurabstands (grundwasserfern und grundwassernah) auf den Wasserhaushalt differenziert werden:

• Auf grundwasserfernen Standorten werden kaum Differenzen im Wasserhaushalt zwischen Kiefern- und Mischbestand auftreten, da die aktuelle Evapotranspiration im Wesentlichen durch das Niederschlagsangebot gesteuert wird. Auch bestandesbedingte Differenzen in der Interzeption spielen deshalb keine Rolle.

• Auf grundwassernahen Standorten jedoch wird die Evapotranspiration in diesem Zeitraum nicht nur aus dem Niederschlag, sondern zum Teil auch durch kapillaren Aufstieg in den Wurzelraum und eine eventuelle direkte Wasseraufnahme durch Wurzeln aus dem Grundwasserbereich gedeckt. Neuere Erkenntnisse zeigen, dass Buchenbestände in der Hauptvegetationsperiode eine deutlich höhere Transpiration als Nadelbaumbestände haben können. In diesem Fall könnte die aktuelle Evapotranspiration des Mischbestandes auf Grund einer höheren potentiellen Transpiration die aktuelle Evapotranspiration (Interzeption + Transpiration + Evaporation) des Kiefernbestandes sogar deutlich übertreffen. Über die genaue Menge der Grundwasserneubildungsdifferenz kann auch hier zur Zeit noch keine Aussage gemacht werden.

• Insbesondere in trockenen Jahren ist die Grundwasserneubildung der Kiefern- und Kiefern-Buchen-Mischbestände auf grundwassernahen Standorten deutlich niedriger als auf grundwasserfernen. Gründe dafür sind der kapillare Aufstieg in den Wurzelraum und eine eventuelle direkte Wasseraufnahme durch Wurzeln aus dem Grundwasserbereich auf grundwassernahen Standorte

Auf Basis der vorliegenden Messungen und der derzeitigen Erkenntnisse ist die Reihenfolge der langjährigen mittleren Grundwasserneubildung unter sonst vergleichbaren Bedingungen im betrachteten Klimaraum wie folgt:

grundwasserferner Mischbestand > grundwasserferner Kieferbestand > grundwassernaher Mischbestand ≥ grundwassernaher Kiefernbestand

Ausführliche Ergebnisse der Untersuchungen können Sie den unten aufgeführten Berichten und Veröffentlichungen entnehmen.

Literatur:

• Duijnisveld, W.H.M., J. Pilevski und G. Klump (2001): Qualtität und Quantität der Grundwasserneubildung in Abhängigkeit von Bestandesaufbau und Boden – Modelluntersuchungen im Fuhrberger Feld und angrenzenden Gebieten - Ergänzungsbericht: Bodenwasserhaushalt und Grundwasserneubildung. Unveröffentl. Bericht der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover; 24 S.
• Ringe, H., J. Böttcher und W.H.M. Duijnisveld (2003): Einfluss von Nadel- bzw. Mischforsten auf die Qualität der Grundwasserneubildung von Sandböden. Horizonte – Herrenhäuser Forschungsbeiträge zur Bodenkunde, Bd. 14, Der Andere Verlag, Osnabrück, 124 S.
• Ahrends, B., Böttcher, J. & Duijnisveld, W.H.M. (2005): Auswirkungen des Waldumbaus von Kiefernreinbeständen auf die Stoffdeposition und die Grundwasserqualität. Berichte Freiburger Forstlicher Forschung, 62: 221-234